一级齿轮减速器的传动原理

报告出品方：中信建投

以下为报告原文节选

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1、减速器/传动机构多种多样

减速器是机器人得核心部件之一，降低转速提升扭矩

减速器是连接动力源和执行机构的中间机构，用于降低转速和增大扭矩。绝大部分电机负载大，转速高，不适宜用原动机直接驱动的工业场景。而减速器能够将电动机、内燃机或其他高速运转的动力通过输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的。按照控制精度划分，减速器可分为一般传动减速器和精密减速器，常见的精密减速器包括RV减速器、谐波减速器、行星减速器等， 被广泛应用于数控机床、机器人等精密制造领域。

减速器种类多种多样，性能各具千秋，适用于不同场景。各类减速器在原理、技术成熟度、减速结构方面存在差异，适用于机器人不同部件。当前在人形机器人领域主要的减速器/传动机构有谐波减速器、行星滚柱丝杠、多级行星减速器、蜗轮蜗杆等。

谐波减速器：体积小、质量轻、传动比大，具备高性能

•结构与工作原理：谐波减速器是由带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮）、带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮）、波发生器三个基本构件组成的精密减速器。谐波减速器通过柔轮变形产生的周期性波动来实现刚轮轮齿与柔轮轮齿之间的少齿差内啮合，从而完成运动与动力的传递，由于内外齿数相差很少，因此容易获得大传动比。

• 谐波减速器特点：谐波减速器体积小、质量轻、结构简单，且其传动比大而范围宽，承载能力强，齿侧间隙可调，可以实现零回差，同轴性好，传动平稳且效率高，噪声小，并且能在密闭空间、介质辐射的工况下正常工作，具有较高性能。

RV减速器：两级减速结构组合，承载强、刚度大

• 结构与工作原理：RV减速器的结构是由两级减速结构组合而成的，第一级是行星齿轮减速器机构，第二级是摆线针轮减速器机构，摆线轮和针齿相互啮合，共同控制着减速器的速度。

• RV减速器特点：RV减速器具有结构紧凑、震动小、能耗低、两级减速、圆盘稳定性较强的特点。比起单纯的摆线针轮行星传动，其体积较小，而且过载能力强，输出轴的刚性大。

谐波减速器与RV减速器：在轻负载和重负载领域各具优势

• 在轻负载精密减速器领域内，谐波减速器因体积小、传动比高、精密度高等特点在轻负载精密减速器领域具备优势，应用领域不断拓宽；RV减速器具有大体积、高负载能力和高刚度特性的特点，适用于重负载精密减速器领域。

滚珠丝杠：能够将旋转运动转化为直线运动，传动效率较高

• 结构：滚珠丝杠（副）是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件。当滚珠丝杠作为主动体时，螺母会按照丝杠的旋转角度跟随相应规格的导程转化为直线运动，通过螺母座与螺母连接被动工件，实现相应的直线运动。

• 特点：滚珠丝杠传动系统具有传动效率较高、承载能力较强，寿命较长，刚度较大等特点，且摩擦小、可靠性高、效率高，安装简单，是常用的直线传动机构 。

行星滚柱丝杠：以螺纹滚柱代替滚珠的精密传动机构

• 行星滚柱丝杠结构：行星滚柱丝杠主要由丝杠、滚柱、螺母和内齿圈等部件组成，是一种以螺纹滚柱代替滚珠的精密传动机构。

• 运动原理：丝杠绕自身轴线为旋转，螺母轴向移动，滚柱绕丝杠轴线公转，绕自身轴线自转，同时随螺母轴向平动。建立惯性坐标系σ[O;x,y,z]，与丝杠固连的动坐标系σs[Os;xs,ys,zs],与滚柱固连的动坐标系σr[Or;xr,yr,zr]。行星滚柱丝杠各螺纹组件端截面运动关系示意图，如图3所示.丝杠绕zs轴逆时针自转角度Θs，滚柱绕zs轴逆时针公转角度Θr，绕zr轴顺时针自转角度Θr，滚柱和螺母沿z轴移动L。丝杠与滚柱在机构初始位置时螺纹接触点为P0点,经过上述运动，丝杠与滚柱在P点接触。

行星滚柱丝杠：分类方式多样，细分种类多

• 行星滚柱丝杠具备多种分类方式，应用于不同场景。（1）按安装条件：可分为圆柱螺母型和法兰螺母型；（2）按螺母的结构形式： 可分为单螺母型、预紧螺母型及双螺母型；（3）按结构组成及运动关系：可分为标准式行星滚柱丝杠、反向式行星滚柱丝杠、循环式行星滚柱丝杠、差动式行星滚柱丝杠、轴承式行星滚柱丝杠这5类，不同类型可应用于不同场景。

行星滚柱丝杠：承载能力强、刚度大，在直线机构中具备高性能优势

• 在直线机构中，行星滚柱丝杠具备高性能优势。目前典型的直线机构包括齿轮齿条、直线电机、气动缸、液压缸、滚珠丝杠和行星滚柱丝杠。其中，行星滚柱丝杠具备承载能力强、寿命长、速度快、刚度大、抗冲击性的特点，且体积小、安装简单、位置可控性高、无泄漏，综合性能优势明显。

蜗轮蜗杆：传动比大、具备自锁性的运动控制部件

• 结构与工作原理：蜗轮由蜗杆和齿轮构成，蜗杆类似于带V型螺纹的螺钉，齿轮类似于正齿轮。蜗杆通常是驱动部件，蜗杆的螺纹使齿轮的齿前进。蜗轮蜗杆是重要的运动控制部件，可以降低转速或增加扭矩输出。

• 蜗轮蜗杆特点：（1）传动比大，结构紧凑；（2）两轮啮合齿面间为线接触，承载能力大于交错轴斜齿轮机构；（3）传动平稳、噪音很小；（4）具有自锁性，当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆，具有安全保护作用；（5）缺点：传动效率低、磨损较严重。

蜗轮蜗杆：蜗杆传动可划分为3类，均承载能力强、效率高

• 蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动三种类型，均承载能力强、效率高。其中，圆柱蜗杆传动具备高效率、高承载、大传动比、结构紧凑的特点，可细分为阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆、法向直廓蜗杆、锥面包络蜗杆四种类型。

蜗轮蜗杆：可用于转向系统，蜗杆为主动轮，蜗轮为从动轮

• 蜗轮蜗杆可用于转向系统。纯电动助力转向系统(EPS) 依靠汽车提供电能驱动电动马达，并通常采用蜗轮蜗杆减速装置将电动马达高转速、低扭矩特性转化为高扭矩、低转速的扭矩输出，给车轮提供转向所需的推动力。对于管柱助力式转向系统，电机通过联轴器与蜗杆连接，通过蜗轮蜗杆减速增扭机构将电机扭矩作用在管柱输出轴上，输出扭矩最终作用于转向柱。

• 蜗杆、蜗轮分别为主动轮与从动轮。其中蜗杆为主动轮连接电机，具有高转速、低扭矩、零件小巧的特性，而蜗轮作为从动轮连接转动车轮的转向器，具有低转速、高扭矩、零件大的特性。

行星减速器：行星轮自转+绕中心轮公转，常采用多级传动

• 结构与工作原理：行星减速器通常由中心轮、行星轮、行星架和机架组成。中心轮又称太阳轮，轴线固定，定轴转动。行星架轴线固定，一端定轴转动，另一端连接行星轮，是行星轮的轴线。行星轮的运动比较复杂，行星轮绕着自己的轴线“自转”，同时，它的轴线绕着中心轮的轴线“公转”。

• 微型行星减速器通常采用多级传动：为了减小体积和质量，微型行星减速器采用内啮合行星齿轮传动，通常采用多级传动，单级行星轮的数目一般是２～４个。

行星减速器：常用多级行星减速器，具备传动比大、承载大优势

• 行星减速器级数、传动比与机械效率成反比，通常使用多级行星减速器。行星减速器级数越多，传动比越大，功率损失越多，机械效率越低。多级行星减速器的总传动为每一级传动比相乘。在实际应用中，特别是在机器人、智能设备中，需要行星减速器尺寸小、传动比范围大，通常采用多级行星减速器，如二级减速器、三级减速器和四级减速器等。

• 双联行星减速器相比RV减速器具备传动比大、承载大的结构优势。双联行星减速器的驱动功率是RV减速器的12倍，负载功率约为RV减速器的4倍，在结构上具备传动比大、承载大的优势。

摆线针轮减速器：行星式传动原理+摆线针齿啮合的传动装置

• 摆线针轮减速器属于采用少齿差行星式传动原理及摆线针齿啮合的减速器，其输入部分由输入轴和偏心套组成，偏心套由两个互成 180°的偏心部分组成，并用键与主动轴相联。减速部分由摆线轮和针轮组成，两个奇数摆线轮错位 180°安装在偏心套上，与针齿啮合传动实现减速。输出部分由输出轴和柱销组成。

• 摆线针轮行星传动时，输入轴旋转通过偏心轴带动摆线轮旋转，由于偏心轴上的摆线轮与针齿啮合限制，摆线轮旋转时既绕自身轴线自转，又绕输入轴轴线公转，借助输出机构，将摆线轮的低速自转动通过销轴传递给输出轴 ，从而获得较低的输出转速。

摆线针轮减速器：具备传动比大、传动效率高、体积小的优势

• 摆线针轮减速器具有传动比大、传动效率高、体积小重量轻、噪音低的特点。（1）传动比大：一级减速时传动比是1:7~87，二级为1：121~7569，多级组合可达数万；（2）传动效率高：采用针齿啮合系套式滚动摩擦，故一级减速效率可达94%；（3）体积小、重量轻：采用行星传动原理，输入轴和输出轴在同一轴线上，与同功率的两级圆柱齿轮减速器相比，体积可减少2/3以上，重量减轻1/3以上；（4）噪音低：摆针齿的啮合齿数较多，重叠的系数大，运转平稳噪声低。

• 应用广泛：摆线针轮减速器多应用于纺织印染、轻工食品、冶金矿山、石油化工、起重运输及工程机械领域。

2、关节选型：旋转、线性关节如何选择？

人形机器人以轻量化、刚度高，低转动惯量为设计原则

• 在人形机器人设计过程中，通常需要遵循以下原则：（1）轻量化结构设计，通过结合多种功能和部件的高度集成实现成本节省；（2）刚度足够高，连杆和接头的刚度不足将对定位精度、动态稳定性、静态和动态疲劳强度产生不良影响；（3）尽可能降低结构产生的转动惯量。

人形机器人动态性能指标种类多样

• 人形机器人在设计过程中，需要通过关节（电机、减速器）与仿生结构的设计，结合控制算法，旨在使得人形机器人具备较好的平衡控制性能、高动态运动性能和鲁棒性。为了提高机器人的动态性能，在设计时，需要一种刚性结构和质量惯性特性的最优分布。

• 通常评估机器人动态性能指标有：（1）移动性（运动链的拓扑结构，手臂和腿部运动域）；（2）敏捷性（速度、加速度能力）；（3）力控制、感知能力；（4）执行器限制（关节扭矩限制）；（5）机械特性（结构刚度、质量等）；（6）准确性。

人形机器人通过三大设计目标，使其具备高动态性能

• 为了提高机器人的动态性能，人形机器人下半身的设计目标有：（1）有效刚度高；（2）机器人整体质心高度尽可能大；（3）腿部低惯性设计；

人形机器人每个关节性能、设计要求各不相同

• 人形机器人每个关节的性能、设计要求差异各有不同。人形机器人每个关节的应用场景、负载要求、设计方法都有所区别，类似于人的不同关节需要实现的功能也有所不同。其中，人形机器人的双足设计直接影响其行走、跑步等运动性能。

• 髋关节和膝关节是机器人负载最高的关节。从整体关节的负载来看，髋关节和膝关节的负载要求要求最高，脚步关节对质量和对地面抓地力要求更高。

人形机器人的关节设计是各方面因素的权衡

• 人形机器人关节设计是重量、惯性、负载、顺应性和经济性之间的权衡。在关节必须覆盖较大的速度范围和具备高过载能力，负载越大，往往重量相应增大。但从轻量化的设计角度来看，关节重量应越轻越好。基于整体设计要求，最终关节的设计是重量、惯性、负载等多方面因素之间的权衡。目前电机驱动的人形机器人关节大部分采用电机+减速齿轮的组合，根据运动方向的不同，包括旋转关节和线性关节。

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逯苇强1791谐波传动减速器的介绍 -
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